[論文レビュー] Maximal absorption and local field enhancement in planar plasmonic arrays

Mohammad Albooyeh, Constantin Simovski|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2012

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、基板に起因する双異方性によって、共鳴的な電気モードと磁気モードを同時に励起することにより、光の最大吸収を達成する平面状プラズモニックアレイを提案する。この構造は、光学的に薄い層において全電力吸収を実現するとともに、極めて強い局所的電場強度を生じさせることを示しており、光と物質の相互作用を強化するための新しい統合ナノフォトニクスデバイスのプラットフォームを提示する。

ABSTRACT

In this Letter we theoretically study the possibility of total power absorption of light in a planar grid modelled as an effective sheet with zero optical thickness. The key prerequisite of this effect is the simultaneous presence of both resonant electric and magnetic modes in the structure. The effect of substrate-induced bianisotropy allowed us to combine the total absorption with the huge local field enhancement. The combination of these extreme properties within the same optically thin structure brings promising functionalities. We demonstrate by an illustrative numerical example that this combination is realizable in a planar array of simple plasmonic nanoparticles located near the semiconductor interface.

研究の動機と目的

• 光学的に薄い平面状プラズモニックグリッドにおける全電力吸収の理論的可能성을調査すること。
• 平面アレイ内で共鳴的な電気モードと磁気モードが共存する条件を同定すること。
• 基板に起因する双異方性が、全吸収と強い局所的電場強度の共存をどのように可能にするかを調査すること。
• 半導体界面に近接した単純なプラズモニックナノ粒子アレイを用いて、この効果の実用的実現可能性を示すこと。

提案手法

• 電磁気的解析を簡略化するため、平面構造を光学的厚さゼロの有効シートとしてモデル化すること。
• 電磁気理論を用いて、アレイ内の共鳴的電気的および磁気的デュポールモードの励起を分析すること。
• 電気的および磁気的応答の結合を促進するメカニズムとして、基板に起因する双異方性を導入すること。
• 数値シミュレーションを用いて、システムにおける全吸収と局所的電場強度の増幅の共存を検証すること。
• 提案された効果を実現するため、半導体界面に近接した単純なプラズモニックナノ粒子の平面アレイを設計すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学的に薄い平面状プラズモニック構造で、光の全電力吸収を達成できるか？
• RQ2 全吸収と強い局所的電場強度の両方を同時に達成するために必要な電磁気的条件は何か？
• RQ3 基板に起因する双異方性は、システム内の電気的および磁気的共鳴の結合にどのように影響するか？
• RQ4 提案された効果は、実用的で単純なナノ粒子アレイ構成で実現可能か？

主な発見

• 光学的厚さゼロの平面状プラズモニックアレイにおいて、入射光の全電力吸収が理論的に達成可能である。
• 共鳴的な電気モードと磁気モードの同時励起が、最大吸収を達成する上で不可欠である。
• 基板に起因する双異方性が、同一構造内での全吸収と極めて強い局所的電場強度の共存を可能にする。
• 数値結果により、半導体界面に近接した単純なプラズモニックナノ粒子アレイが、極めて強い吸収と電場強度の増幅の両方を実現可能であることが確認された。